“植物芳香油的提取”教学组织

  植物芳香油的提取”课题,对应课程标准中的具体内容标准是“研究从生物材料中提取某些特定成分”。该课题实验涉及较多的化学仪器及比较复杂的实验操作,也存在课堂教学的有效组织问题,下面对该课题实验进行分析并提出相应的教学建议。

  1 习得基础知识

  芳香油是指具有一定香味和挥发性的帖类、酯类等物质,又称精油或挥发油。植物的根、茎、叶、花、果实、种子等六大器官中都可以提取到芳香油,如人们常见的生姜油、香草油、薰衣草油、玫瑰油、杏仁油和茴香油,等等。动物体内也可以提取芳香油,如从麝中提取的麝香油,从抹香鲸中提取的抹香鲸油。人们从微生物真菌中也提取到了芳香油。芳香油的作用主要有三种:一是作为香料,如各种香水和化妆品,这是目前使用最为广泛的用途;二是调味品,如食品和糕点中加入了少量的芳香油,用于调节味道,激发食欲;三是用作药物,如牙科消炎的丁香油,提神、驱虫的清凉油,等等。

  学生极容易将食用植物油与芳香油相混淆。因为这两者都有共同的物理特性,即具有一定的香味和挥发性。但从化学本质来看,芳香油的成分非常复杂,主要是一些萜类化合物(一类碳氢化合物)及其衍生物,也有一些酯类,如玫瑰精油和香蕉精油中含有大量的酯类物质;而食用植物油是高级脂肪酸的甘油酯,沸点高,挥发性差;从作用来看,芳香油与食用植物油有很大不同,主要体现在:芳香油能够散发出芬芳气味,使人身心爽快,有助于消除疲劳,恢复精力,还可不同程度地提高人体神经系统、内分泌系统的功能,帮助人体提高免疫力,具有保健、美容等作用。

  提取芳香油的常用方式有三种:蒸馏、压榨和萃取(见下表)。

  提取方法

  原 理

  常见材料

  材料特点

  优 点

  缺 点

  

  

  

  

  蒸馏

  

  

  利用水蒸气将挥发性较强的植物芳香油携带出来,形成油水混合物,冷却后再分离  

  玫瑰、薄荷叶、金合欢、薰衣草,等等

  有效成分的化学性稳定,不易水解

  设备简单,操作方便,是生产芳香油的主要方法

  油水混合物中水分含量较多;油水不易分离;部分有效成分不易随水蒸气散发出来

  

  

  压榨

  通过机械压力将组织、器官中的有效成分挤压出来

  柑橘、柠檬,等等

  部分组织、结构中含有精油,如柑桔皮的油囊

  操作简单,针对性强

  材料中的其他成分会被压榨出来

  

  

  萃取

  利用芳香油易于溶入有机溶剂来进行分离(相似相溶原理)

  茉、桂花,等等

  有效成分不易随水蒸气挥发

  效率高

  

  

  材料必须尽可能细小;有机溶剂可能有一定的毒性,而且不易与芳香油分离

  上表中提到的蒸馏法,指的是教材中提到的简化水蒸气蒸馏法,其缺点也是针对此法而说的。除上述方法外,提取芳香油的方法还有吸香法、浸泡法,等等。

  2 正确定位教学目标

  以上提取芳香油的基本方法中,压榨的基本原理相对简单,知识性内容比较浅显,绝大多数的生物实验室缺乏相应的压榨设备,因此,实践性不强;萃取的原理和实验操作在化学课中已有相应的体现,萃取芳香油的最大难点是萃取溶剂和芳香油仍需蒸馏分离,同时萃取剂有一定的毒性,并不适合大多数的芳香油的提取,在中学生物室中很难操作。蒸馏法(水蒸气)原理简单,操作时有一定的技能要求,能够有效地培养和锻炼学生的实验操作能力,与“生物技术实践”模块的课程目标——培养学生的实践能力,是一致的。基于以上分析,特确定如下的教学目标、教学的重点和难点。

  2.1 教学目标

  (1)说出芳香油的基本定义,举例说出常见芳香油的名称和作用。

  (2)说出提取植物芳香油的常见方法和基本原理。

  (3)尝试根据常见的实验材料选择恰当的提取方法。

  (4)进行提取芳香油的实验操作。

  2.2 教学重点和难点

  教学重点:提取植物芳香油的常见方法和基本原理;根据常见的实验材料选择恰当的提取方法;运用水蒸气蒸馏法从植物材料中提取芳香油。

  教学难点:运用水蒸气蒸馏法从植物材料中提取芳香油;实验设备的安装和使用;实验教学的组织和管理。

  3 熟悉技术操作及要求

  本课题的主要目标是运用蒸馏法从植物材料中提取芳香油。以下是实验操作流程。

  处理材料时,尽量将材料剪碎或碾碎,如将花瓣用剪刀剪碎,将干花用研钵磨碎,等等,这样做便于水和水蒸气与材料充分接触,以利出油。

  安装仪器:仪器的安装是比较复杂的操作,是实验的难点之一。下面的图示为仪器安装的基本流程。其中难度较大的是调节蒸馏瓶、冷凝管和接收瓶三者之间的高度和距离。冷凝管的安装非常重要,主要涉及两个方面,一是要注意冷凝管的进水口在下,出水口在上,并保持适当的倾斜度;二是与进水口相连接的橡皮管应与水龙头相连,依靠自来水在冷凝管中逆流达到充分冷却的效果,因此,水龙头与橡皮管一定要连接紧密。而大多数生物实验室的放水设备并未考虑到这一点,因此需要进行改造或设法弥补。

  添加材料:材料可以在安装蒸馏瓶前放入。这里需要特别注意,一是避免将碎片状或粉末状的材料粘附在蒸馏瓶的瓶口;二是材料和水要保持一定的比例,一般500mL的蒸馏瓶可添加材料10~20 g,用水300 mL。

  加热蒸馏:为节约酒精,缩短实验时间,可用热水进行蒸馏,刚开始时火焰可大些,烧开后改用小火,蒸馏时间不宜过长,一般实验15~20 min即可。蒸馏的初期,冷却水流速可小些,待有较多的水蒸气通过时,冷却水流速可适当大些(注意节约用水)。蒸馏时要控制好速度,通常以每秒生成2~3滴油水混合物为宜。

  获取油水混合物:如观察到接收瓶中出现了明显的油层或不再出油时,即可停止加热。此时,应先撤出热源,然后停止进水,最后拆卸蒸馏装置,拆卸的顺序与安装时刚好相反。

  分离油层和获取精油:蒸馏得到的油水混合物分层现象并不十分明显,因油较少,水较多,因此,不易直接将油和水分离。可采用直径和容量较小的接受瓶,观察到的油层更加明显一些。此时,可在油水混合物中加入一定质量的食盐,使水层成饱和食盐水溶液,达到降低芳香油在水中的溶解度,然后将其倒入分液漏斗,待油层和水层分层明显后,打开顶塞,将活塞缓缓旋开,放掉下层的水分,然后将油层从顶口倒入接收瓶中,向接收瓶中加入无水硫酸钠,吸去油层中含有的微量水分,稍振荡后,静置片刻,最后,用滤纸过滤,除去五水硫酸钠晶体,此时,就可得到浓缩的精油。

  4 采取有效的教学组织,激发学生的学习兴趣

  4.1 课外搜集资料,课内展示成果

  由于学生对提取芳香油非常感兴趣,教师可提前让一部分学生收集资料,制成幻灯在课堂上展示。学生搜集的资料分两部分,一部分是从互联网和相关书籍刊物上获取芳香油的相关知识,如芳香油的具体名称、作用、制作方法、历史发展,等等;另一方面是进行市场调查,让学生到相关超市(如化妆品超市),调查统计有哪些产品添加了芳香油,这些芳香油的名称是什么?有什么作用?将这些感性的资料和调查结果在课堂上展示,与其他学生分享,以此来激发学生的学习兴趣和实验欲望。

  4.2 从生活经验出发,激发学生的探究兴趣

  随着人们生活的改善,由少数有钱人享受的芳香油,目前已成为普通大众经常消费的常见商品了,教学中教师可列举生活中常见的芳香油,如玫瑰精油、薰衣草精油、精凉油、薄荷油等耳熟能详的名称及其作用来说明芳香油与人们生活的关系,并用“要生产1滴纯正的玫瑰精油,大约需要5kg的玫瑰花瓣,而玫瑰精油称为液体黄金,比黄金的价格还贵”,以激发学生了解芳香油的基本知识,学习提取玫瑰精油的兴趣。

  4.3 分析实验材料,找出合适的提取方法

  实验材料的不同,采取的提取方法各不相同。教学过程中可提供一些即将用到的实验材料,如生姜、橘皮、薄荷叶、玫瑰、桂花供学生分析,讨论采取什么样的提取方法比较适宜,进而总结出提取芳香油的三种主要的方法,然后分析这三种方法的基本原理、材料特点,提取的优点和缺点。

  4.4 厘清实验仪器的作用和使用方法,注意操作细节

  提取玫瑰精油用到的水蒸气蒸馏法,涉及到最重要的实验仪器就是蒸馏瓶和冷凝管,冷凝管的构造及其作用原理需要教师认真讲解,并提出以下问题供学生思考:冷凝管的构造有何特点,其作用是什么?蒸汽从哪里通过,冷凝水从哪里通过?蒸汽的流动方向为什么与冷凝水的流动方向相反?谁是进水管,谁是出水管?冷凝管为什么要保持一定的倾斜角度?如何控制冷凝水的流动和流速?等等。对这些问题的进行认真地讨论,有利于学生理解实验原理,进行正常的仪器操作,也有利于学生控制冷凝水的流速和节约用水。

  4.5 以组为单位,开展实验操作

  为激发实验兴趣,让同学们有更多的实验感受,可将学生分成小组,每组由4~8位学生组成(见右图),共同完成实验仪器的安装和提取精油的全部实验。提供给学生的实验材料可以是上文中提到的一些材料,如鲜玫瑰花瓣、干玫瑰花瓣、橘皮、生姜、干桂花、薄荷叶等等,让不同小组的同学选择不同的实验材料,各个小组的同学可以相互观摩和交流,最后由小组代表展示实验成果,讲述制作过程和制作心得。

  5 课后总结与反思

  5.1 实验材料的获取和准备

  很多老师认为,本实验最困难的事情是无法准备相应的实验材料,因为无法获得充足的鲜玫瑰花瓣。其实不然,学生中就有很多的资源可以利用。笔者介绍一个真实的教学案例,本人在带领学生做该实验之前也有与大多数老师一样的顾忌,从哪里弄到哪么多的鲜玫瑰花瓣呢?我在征询学生意见时,学生告诉我,他们有办法,果不其然,第二天,仅一个小组的同学就轻松地弄来三大包鲜玫瑰花瓣(见右图)。原来,学生到学校附近的鲜花店,向店主讲明原因,让店主将卖玫瑰花时去掉的外层花瓣留下来供他们实验,因这些花瓣已没有利用价值,店主当然乐意支持学生的实验活动。通过这件事情,让我明白了学生具有很强的实践能力,我们应该充分利用学生的潜能,利用各种有效的教学资源来为我们的教育教学服务。

  地处农村和小城镇的老师可能无法像我一样获取鲜玫瑰花瓣,但实验材料随处可得,如孜然、橘皮、生姜、桂皮等等都是很容易得到的实验材料,干玫瑰花很便宜而且容易买到,很多校园种植了较多的桂花树,每到桂花花开时,收集这些花瓣留待实验,都是不错的选择。

  5.2 实验仪器的准备和安装

  本实验要用到蒸馏瓶和冷凝管等实验仪器,一般情况下可以从化学实验室借到,也可以提前购买。实验仪器安装环节难度最大的部分是与冷凝管的进水管相连的橡皮管太小,无法与水龙头很好地衔接,这些环节都需要教师提前实验,找到比较好的解决办法。

  教材图示采用的蒸馏法是简化的水蒸气蒸馏法,用此种方法,操作相对容易一些,但由于材料和水充分接触,芳香油的大多数有效成分会溶于水中,随蒸汽挥发的有效成份只有一小部分,另外,部分有效成分会过热分解,因此,简化水蒸气蒸馏的效果并不理想。为提高出油率,实验时可采取完整的水蒸气蒸馏法(见右图)。

  与教材相比较,图中增加了一个长颈圆底烧瓶,材料放在瓶中,通过加热水蒸气发生器产生低压饱和蒸汽,蒸汽再与材料充分接触,由于蒸汽湿度高、温度也高,因此,出油效率高,同时也有利于缩短蒸馏时间,节省燃料,提高油的质量。水蒸气蒸馏法在提取芳香油中应用广泛,植物的花、叶一般采用此法。

  5.3 正确看待实验结果

  实验结果与我们预期的结果有一定的差距。以鲜玫瑰花瓣为例,蒸馏得到的油水混合物是油少水多,精油的香味和纯度都不够,这与实验材料有很大的关系。我们日常用于观赏的玫瑰含油较少,不是用于提取精油的品种,其他材料也有类似的现象。尽管如此,本实验的目的并不是为了提取多少精油,而是通过蒸馏实验培养学生的操作技能,获得相关的基础知识,因此,实验过程比实验结果更为重要。事实上,我们的学生也是这样表现的,他们表现出浓厚的实验兴趣,甚至放学后还要求老师补开实验,他们都在享受制作过程,而对实验结果并表现出太多的苛求。[本文发自《生物学通报》2009年第3期]


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